JP6446039B2 - Magnetic levitation device and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置とその制御方法に関し、浮上対象物の安定的な非接触支持を低コストで実現するものである。  The present invention relates to a magnetic levitation apparatus that uses a magnetic force to support a floating object in a non-contact manner and a control method thereof, and realizes stable non-contact support of the floating object at a low cost.

磁気浮上系は、非接触で物体を支持することが可能であり、機械的摩擦がないため振動や騒音が少なく、また、潤滑を必要としないため、潤滑油の蒸発を嫌う真空中やクリーンルームなどの特殊環境下でも使用できる。
磁気浮上の方式には、磁石同士の反発力を利用する反発型や、磁石と強磁性体の吸引力を利用する吸引型などがある。
図17(a)は、一対の電磁石10の間に在る強磁性体11が、上下の電磁石10の磁力により吸引され、電磁石間に非接触支持されている様子を示している。この強磁性体11の上下方向の位置は、上下の電磁石10に印加する電流を制御し、それらの電磁石10から発生する磁力を調整することにより安定的に保つことができる。
The magnetic levitation system can support an object without contact, has little vibration and noise because there is no mechanical friction, and does not require lubrication. Can be used in special environments.
Magnetic levitation methods include a repulsive type that uses the repulsive force between magnets, and an attractive type that uses the attractive force of a magnet and a ferromagnetic material.
FIG. 17A shows a state in which the ferromagnetic body 11 existing between the pair of electromagnets 10 is attracted by the magnetic force of the upper and lower electromagnets 10 and is supported in a non-contact manner between the electromagnets. The vertical position of the ferromagnetic material 11 can be stably maintained by controlling the current applied to the upper and lower electromagnets 10 and adjusting the magnetic force generated from the electromagnets 10.

この強磁性体11に対し、図17(b)に示すように、一対の電磁石10の配列方向と直交する方向の外力が加わると、非接触支持されている強磁性体11は、押された方向に移動(横ずれ)する。このとき、電磁石10から外れた強磁性体11の端部には、図18に示すように、吸引力Bの成分とともに、横ずれを元に戻そうとする復元力Aの成分を含む力が働く。これは“端効果”として知られている。
復元力Aを受けた強磁性体11は横ずれ方向の反対側に横ずれし、再び端効果による復元力を受ける。その結果、強磁性体11は横ずれ方向への振動を繰り返す。
この横ずれ方向の振動は、下記特許文献1に記載されているように、非接触支持された強磁性体11に減衰作用が働かないため、収束し難い。
When an external force in a direction orthogonal to the arrangement direction of the pair of electromagnets 10 is applied to the ferromagnetic body 11 as shown in FIG. 17B, the non-contact supported ferromagnetic body 11 is pushed. Move in the direction (lateral shift). At this time, as shown in FIG. 18, a force including a component of the restoring force A that attempts to restore the lateral displacement is applied to the end of the ferromagnetic material 11 that is separated from the electromagnet 10 together with the component of the attractive force B. . This is known as the “end effect”.
The ferromagnetic material 11 that has received the restoring force A is laterally shifted to the opposite side of the lateral displacement direction and receives the restoring force due to the end effect again. As a result, the ferromagnetic material 11 repeats vibration in the lateral displacement direction.
As described in Patent Document 1 below, the vibration in the lateral slip direction is difficult to converge because the damping action does not act on the non-contact-supported ferromagnetic material 11.

特開2001−268981号公報JP 2001-268881 A

こうした横ずれ方向の振動は、図19に示すように、強磁性体11の上下方向だけでなく、前後・左右方向にも電磁石12の対を配置して、上下の電磁石10と同様に、対を成す電磁石12への印加電流を制御し、電磁石12から発生する磁力を調整すれば、抑えることができる。
しかし、このように構成した場合、電磁石やそれに電流を供給する増幅器等の台数が増加し、装置の大型化や高コスト化が避けられない。
As shown in FIG. 19, the vibration in the lateral displacement direction is not limited to the vertical direction of the ferromagnetic body 11, but a pair of electromagnets 12 is arranged not only in the front-rear and left-right directions, but in the same manner as the upper and lower electromagnets 10. This can be suppressed by controlling the current applied to the electromagnet 12 and adjusting the magnetic force generated from the electromagnet 12.
However, in the case of such a configuration, the number of electromagnets and amplifiers for supplying current to the electromagnets increases, and the size and cost of the apparatus cannot be avoided.

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、横ずれ方向の振動の制振機能を有し、小型、且つ、低コストで構成できる磁気浮上装置と、その制御方法を提供することを目的としている。  The present invention was devised in view of such circumstances, and provides a magnetic levitation device that has a vibration damping function in the direction of lateral displacement, can be configured at a low cost, and a control method therefor. It is aimed.

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置であって、浮上対象物の非接触支持のための磁力を発生する一対の磁石と、一対の磁石の配列方向と直交する横ずれ方向への浮上対象物の変位を検出する変位検出手段と、浮上対象物の横ずれ方向の振動を抑制する制御手段と、を備え、制御手段が、振動の中心から離れる方向に変位する浮上対象物に対し、振動の中心に戻る方向に変位するときよりも強い磁力が作用するように一対の磁石を制御する、ことを特徴とする。
このように、浮上対象物が振動の中心から離れる際の磁気力の剛性を強め、浮上対象物が振動の中心に戻る際の磁気力の剛性を弱めることにより、浮上対象物の振動は急速に減衰する。
The present invention relates to a magnetic levitation device that supports a floating object in a non-contact manner using magnetic force, a pair of magnets that generate a magnetic force for non-contact support of the floating object, and an arrangement direction of the pair of magnets Displacement detecting means for detecting the displacement of the levitated object in the lateral displacement direction orthogonal to the horizontal axis, and control means for suppressing vibration in the lateral displacement direction of the levitated object, and the control means is displaced in a direction away from the center of vibration. The pair of magnets is controlled so that a stronger magnetic force acts on the floating object to be moved than when moving in a direction returning to the center of vibration.
In this way, by increasing the rigidity of the magnetic force when the levitating object moves away from the center of vibration, and by reducing the rigidity of the magnetic force when the levitating object returns to the center of vibration, the vibration of the levitating object rapidly Attenuates.

また、本発明の磁気浮上装置では、一対の磁石が、上下方向に配列された電磁石から成り、浮上対象物が、電磁石の各々に吸引されて一対の電磁石の間に非接触支持される強磁性体を含んでいる。制御手段は、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位するとき、一対の電磁石に印加する電流を強め、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位するとき、一対の電磁石に印加する電流を弱める。
こうした構成により、吸引型磁気浮上装置の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。
In the magnetic levitation apparatus of the present invention, the pair of magnets is composed of electromagnets arranged in the vertical direction, and the levitation object is attracted to each of the electromagnets and is supported in a non-contact manner between the pair of electromagnets. Contains the body. The control means increases the current applied to the pair of electromagnets when the levitating object is displaced in a direction away from the center of vibration, and applies to the pair of electromagnets when the levitating object is displaced in a direction returning to the center of vibration. Decrease the current.
With such a configuration, it is possible to effectively attenuate the vibration in the lateral displacement direction of the attraction type magnetic levitation device.

また、本発明の磁気浮上装置では、横ずれ方向に振動する浮上対象物の変位をx、浮上対象物の移動速度をx’とするとき、制御手段は、一対の電磁石に印加するバイアス電流を、x×x’(以下、x・x’と表記する。)≧0の状態と、x・x’<0の状態とで切り替え、x・x’≧0のときのバイアス電流が、x・x’<0のときのバイアス電流より大きくなるように設定する。
横ずれ方向の振動の中心を原点とするx座標において、x・x’≧0は、x及びx’が共に正の場合、または、共に負の場合であり、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位している状態である。また、x・x’<0は、xが正でx’が負の場合、または、xが負でx’が正の場合であり、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位している状態である。そのため、x・x’≧0のときに一対の電磁石に印加するバイアス電流を増やして磁気力の剛性を高め、x・x’<0のときのバイアス電流を減らして磁気力の剛性を弱めることにより、浮上対象物の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。
Further, in the magnetic levitation apparatus of the present invention, when the displacement of the levitating object that vibrates in the lateral displacement direction is x and the moving speed of the levitating object is x ′, the control means applies the bias current applied to the pair of electromagnets, x × x ′ (hereinafter referred to as x · x ′) ≧ 0 and x · x ′ <0, and the bias current when x · x ′ ≧ 0 is x · x 'Set to be larger than the bias current when <0.
In the x-coordinate with the origin of the vibration in the lateral displacement direction, x · x ′ ≧ 0 is when x and x ′ are both positive or negative, and the levitated object moves away from the vibration center. It is in a state displaced in the direction. X · x ′ <0 is when x is positive and x ′ is negative, or when x is negative and x ′ is positive, and the floating object is displaced in the direction of returning to the center of vibration. It is in a state. Therefore, increase the bias current applied to the pair of electromagnets when x · x ′ ≧ 0 to increase the rigidity of the magnetic force, and decrease the bias current when x · x ′ <0 to decrease the rigidity of the magnetic force. Thus, it is possible to effectively attenuate the vibration in the lateral displacement direction of the floating object.

また、本発明の磁気浮上装置では、x・x’の値が所定値より小さいとき、制御手段が、一対の電磁石に印加するバイアス電流をx・x’の値に応じて減少させるようにしてもよい。
x・x’の値が小さいときのバイアス電流値が大きいと、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなり、振動の収束までの時間が長くなる恐れがある。x・x’の値に応じてバイアス電流を減らすことで、そうした恐れが解消できる。
In the magnetic levitation apparatus of the present invention, when the value of x · x ′ is smaller than the predetermined value, the control means decreases the bias current applied to the pair of electromagnets according to the value of x · x ′. Also good.
If the bias current value when the value of x · x ′ is small is large, the overshoot amount of the levitated object becomes large, and there is a possibility that the time until the convergence of the vibration becomes long. Such a fear can be eliminated by reducing the bias current according to the value of x · x ′.

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段は、浮上対象物の横ずれ方向に配置した、浮上対象物までの距離を測定する測定手段で構成することができる。
測定手段が検出した浮上対象物までの距離の変化からx・x’の正負やx・x’の値を求めることができる。
Further, in the magnetic levitation apparatus of the present invention, the displacement detection means can be constituted by a measurement means that measures the distance to the levitation object and is arranged in the lateral displacement direction of the levitation object.
From the change in the distance to the floating object detected by the measuring means, the value of x · x ′ and the value of x · x ′ can be obtained.

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段を、電磁石の浮上対象物に対向する側に配置した、通過磁束の変化を検出するセンシングコイルで構成することもできる。
センシングコイルの通過磁束が減少傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位しているときであり、センシングコイルの通過磁束が増加傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位しているときである。その変位の状態は、センシングコイルの誘導起電力や誘導電流の変化から検出できる。
Further, in the magnetic levitation apparatus of the present invention, the displacement detection means can also be configured by a sensing coil that is disposed on the side of the electromagnet facing the levitating object and detects a change in passing magnetic flux.
When the magnetic flux passing through the sensing coil tends to decrease, the levitated object is displaced away from the center of vibration, and when the magnetic flux passing through the sensing coil tends to increase, the levitating object vibrates. It is when it is displaced in the direction to return to the center of. The state of the displacement can be detected from changes in the induced electromotive force and induced current of the sensing coil.

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段を、電磁石を支持して、電磁石に作用する力を検出する力センサで構成しても良い。
力センサの検出値が減少傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位しているときであり、力センサの検出値が増加傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位しているときである。
In the magnetic levitation apparatus of the present invention, the displacement detection means may be configured by a force sensor that supports the electromagnet and detects the force acting on the electromagnet.
When the detected value of the force sensor tends to decrease, the levitated object is displaced in a direction away from the center of vibration, and when the detected value of the force sensor tends to increase, the levitated object vibrates. It is when it is displaced in the direction to return to the center of.

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上対象物が、一対の磁石に対して相反する方向に反発する磁石を含み、一対の磁石と浮上対象物の磁石との反発力により浮上対象物が非接触支持される。制御手段は、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位するとき、反発力が強まる位置に一対の磁石を移動し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位するとき、反発力が弱まる位置に一対の磁石を移動する。
こうした構成により、反発型磁気浮上装置の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。
In the magnetic levitation apparatus of the present invention, the levitating object includes a magnet that repels in a direction opposite to the pair of magnets, and the levitating object is non-induced by the repulsive force between the pair of magnets and the magnet of the levitating object. Touch supported. The control means moves the pair of magnets to a position where the repulsive force is strengthened when the levitating object is displaced in a direction away from the center of vibration, and the repulsive force is displaced when the levitated object is displaced in a direction returning to the center of vibration. Move the pair of magnets to a weakened position.
With such a configuration, it is possible to effectively attenuate the vibration in the lateral displacement direction of the repulsive magnetic levitation device.

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置の制御方法であって、上下方向に配列する一対の電磁石の間に、強磁性体を含む浮上対象物を非接触支持し、一対の電磁石に対して、電磁石の配列方向への浮上対象物の変位を抑える電流iと、配列方向と直交する横ずれ方向への浮上対象物の振動を抑制するバイアス電流Δiとを重畳して印加する。そして、横ずれ方向に振動する浮上対象物の変位をx、浮上対象物の移動速度をx’とするとき、一対の電磁石に印加するバイアス電流Δiを、x・x’≧0の状態と、x・x’<0の状態とで切り替え、x・x’≧0のときのバイアス電流を、x・x’<0のときのバイアス電流より大きくする。
こうした制御方法により、一対の電磁石を用いて、浮上対象物を安定的に非接触支持することができる。
The present invention relates to a method for controlling a magnetic levitation apparatus that supports a levitating object in a non-contact manner using magnetic force, and the levitating object including a ferromagnetic material is not interposed between a pair of electromagnets arranged vertically. A current i for supporting and supporting a pair of electromagnets to suppress displacement of the levitating object in the arrangement direction of the electromagnets and a bias current Δi for suppressing vibration of the levitating object in the lateral displacement direction orthogonal to the arrangement direction. Apply by overlapping. When the displacement of the flying object vibrating in the lateral displacement direction is x and the moving speed of the flying object is x ′, the bias current Δi applied to the pair of electromagnets is expressed as x · x ′ ≧ 0 and x Switching between x ′ <0 and the bias current when x · x ′ ≧ 0 is larger than the bias current when x · x ′ <0.
By such a control method, a levitated object can be stably supported in a non-contact manner using a pair of electromagnets.

また、本発明の磁気浮上装置の制御方法では、x・x’の値が所定値より小さいとき、印加するバイアス電流Δiを、x・x’の値に応じて減少させるようにしても良い。
こうすることで、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなるのを防ぐことができ、振動の収束までの時間を短縮できる。
In the method of controlling a magnetic levitation apparatus according to the present invention, when the value of x · x ′ is smaller than a predetermined value, the bias current Δi to be applied may be decreased according to the value of x · x ′.
By doing so, it is possible to prevent an excessive amount of the levitated object from increasing, and it is possible to shorten the time until the vibration converges.

また、本発明の磁気浮上装置の制御方法では、バイアス電流Δiを、次の条件1〜条件5を満たす関数f(x・x’)に従って変化させるようにしても良い。
バイアス電流Δiが連続的に変化する範囲を調整するパラメータをX0として、
条件1:x・x’<−X0のとき f(x・x’)=−ΔI
条件2:−X0<x・x’<0のとき −ΔIから0へ単調に増加する
条件3:f(0)=0、
条件4:0<x・x’<X0のとき 0からΔIへ単調に増加する
条件5:X0<x・x’のとき f(x・x’)=+ΔI
この条件1〜条件5を満たす関数fに従ってバイアス電流Δiを変化させれば、x・x’の値が小さいとき、バイアス電流Δiも小さいため、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなるのを防止できる。
In the method of controlling a magnetic levitation apparatus according to the present invention, the bias current Δi may be changed according to a function f (x · x ′) that satisfies the following conditions 1 to 5.
A parameter for adjusting the range in which the bias current Δi continuously changes is X 0 ,
Condition 1: When x · x ′ <− X 0 f (x · x ′) = − ΔI
Condition 2: When −X 0 <x · x ′ <0, monotonically increases from −ΔI to 0 Condition 3: f (0) = 0,
Condition 4: When 0 <x · x ′ <X 0 , monotonically increases from 0 to ΔI Condition 5: When X 0 <x · x ′ f (x · x ′) = + ΔI
If the bias current Δi is changed according to the function f satisfying these conditions 1 to 5, when the value of x · x ′ is small, the bias current Δi is also small, so that it is possible to prevent the overshoot amount of the flying object from increasing. .

本発明により、浮上対象物の安定的な非接触支持が可能な磁気浮上装置を、小型に、且つ、低コストで構成することができる。  According to the present invention, a magnetic levitation device that can stably support a non-contact floating object can be configured in a small size and at a low cost.

本発明の第1の実施形態に係る吸引型磁気浮上装置を示す図The figure which shows the attraction | suction type magnetic levitation apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention 図1の浮上対象物のx・x’が正または負になる状態を示す図The figure which shows the state from which x * x 'of the floating object of FIG. 1 becomes positive or negative 図1の浮上対象物が横ずれ方向に振動する時のx及びx’の軌跡を示す図The figure which shows the locus | trajectory of x and x 'when the floating target object of FIG. 実験装置を示す図Diagram showing experimental equipment 外乱波形を示す図Diagram showing disturbance waveform バイアス電流0(a)及び1A(b)のときの横ずれ振動波形を示す図The figure which shows the transverse slip vibration waveform at the time of bias current 0 (a) and 1 A (b) バイアス電流を切替制御したときの横ずれ振動波形を示す図The figure which shows the transverse slip vibration waveform when switching control of the bias current x・x’の変化(a)と切替制御したバイアス電流(b)を示す図The figure which shows the change (a) of x * x ', and the bias current (b) by which switching control was carried out 収束する横ずれ振動のx及びx’の軌跡を示す図The figure which shows the locus | trajectory of x and x 'of the lateral slip vibration to converge バイアス電流の値を変えて切替制御したときの横ずれ振動波形を示す図The figure which shows the transverse slip vibration waveform when changing the bias current value and switching control x・x’の小さい範囲でバイアス電流を減少させる関数を示す図The figure which shows the function which reduces a bias current in the small range of x * x ' 図11の関数でバイアス電流を制御したときの横ずれ振動波形を示す図FIG. 12 is a diagram showing a lateral vibration waveform when the bias current is controlled by the function of FIG. 浮上対象物の変位をセンシングコイルで検出するときの構成を示す図The figure which shows the composition when detecting the displacement of the floating object with the sensing coil 浮上対象物の変位を力センサで検出するときの構成を示す図The figure which shows a structure when detecting the displacement of a floating object with a force sensor 本発明の第2の実施形態に係る反発型磁気浮上装置を示す図The figure which shows the repulsion-type magnetic levitation apparatus based on the 2nd Embodiment of this invention 図15の装置において横ずれ振動の剛性を切り替えるときの形態を示す図The figure which shows the form when switching the rigidity of lateral slip vibration in the apparatus of FIG. 吸引型磁気浮上装置での浮上対象物の変位を説明する図The figure explaining the displacement of the levitating object in the attraction type magnetic levitation device 磁気浮上装置の端効果を説明する図The figure explaining the end effect of a magnetic levitation device 従来の横ずれ振動の抑止構造を示す図A diagram showing a conventional lateral vibration suppression structure

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る吸引型の磁気浮上装置を示している。
この装置は、上下方向(z方向)に配置された一対の電磁石10と、一対の電磁石10の間に非接触支持された浮上対象物である強磁性体11と、強磁性体11の横ずれ方向(x方向)の変位量を検出する変位センサ20と、電磁石10に印加する電流を制御する制御機構40とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an attraction type magnetic levitation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
This apparatus includes a pair of electromagnets 10 arranged in the vertical direction (z direction), a ferromagnetic body 11 that is a non-contact supported object between the pair of electromagnets 10, and a lateral displacement direction of the ferromagnetic body 11. A displacement sensor 20 that detects the amount of displacement in the (x direction) and a control mechanism 40 that controls the current applied to the electromagnet 10 are provided.

制御機構40は、強磁性体11のz方向の変位を検出する変位センサ(不図示)から変位信号(z)が入力すると、PID制御によりz方向の変位を解消するためのz方向バイアス電流を生成するPID制御部41と、強磁性体11のx方向の変位を検出する変位センサ20から変位信号(x)が入力すると、xと(dx/dt)との積に応じてx方向バイアス電流を切り替えるバイアス電流切替部47と、PID制御部41から出力されたz方向バイアス電流の符号を反転する反転部42と、PID制御部41から出力されたz方向バイアス電流とバイアス電流切替部47から出力されたx方向バイアス電流とを基準電流I0に加算する加算部43と、反転部42から出力された反転されたz方向バイアス電流とバイアス電流切替部47から出力されたx方向バイアス電流とを基準電流I0に加算する加算部44と、加算部43から出力された電流を増幅して上側の電磁石10に印加する増幅器45と、加算部44から出力された電流を増幅して下側の電磁石10に印加する増幅器46と、を有している。When a displacement signal (z) is input from a displacement sensor (not shown) that detects the displacement of the ferromagnetic material 11 in the z direction, the control mechanism 40 generates a z-direction bias current for eliminating the displacement in the z-direction by PID control. When the displacement signal (x) is input from the PID control unit 41 to be generated and the displacement sensor 20 that detects the displacement of the ferromagnetic material 11 in the x direction, the x direction bias current depends on the product of x and (dx / dt). From the bias current switching unit 47 for switching between, the inversion unit 42 for inverting the sign of the z-direction bias current output from the PID control unit 41, and the z-direction bias current and the bias current switching unit 47 output from the PID control unit 41 an adder 43 for adding the x-direction bias current output to the reference current I 0, or z-direction bias current and a bias current switching unit 47 which has been inverted is outputted from the inverter 42 An adder 44 for adding the x-direction bias current output to the reference current I 0, an amplifier 45 is applied to the upper electromagnet 10 by amplifying the current output from the adder 43 is output from the adder 44 And an amplifier 46 for amplifying the applied current and applying it to the lower electromagnet 10.

なお、z方向の変位を解消する制御は、従来から良く知られている。この制御機構40では、浮上対象物をz方向に安定的に保持するために電磁石10に印加される電流Iに対して、さらにx方向バイアス電流が重畳される点に特色がある。x方向バイアス電流は、上下の電磁石10に同じ量だけ追加される。そのため、x方向バイアス電流が加わっても、強磁性体11のz方向のバランスが乱れることは無い。  Control for eliminating the displacement in the z direction has been well known. The control mechanism 40 is characterized in that an x-direction bias current is further superimposed on the current I applied to the electromagnet 10 in order to stably hold the floating object in the z direction. The same amount of x-direction bias current is added to the upper and lower electromagnets 10. Therefore, even if an x-direction bias current is applied, the z-direction balance of the ferromagnetic material 11 is not disturbed.

この明細書では、(dx/dt)をx’と表記することにする。
バイアス電流切替部47の符号関数sgn(n)は、n>0のとき1、n=0のとき0、n<0のとき−1を出力する。そのため、バイアス電流切替部47は、x・x’>0のとき、x方向バイアス電流としてΔIを出力し、x・x’<0のとき、x方向バイアス電流として−ΔIを出力する。x・x’=0のときは0を出力する。
図2は、x及びx’を軸とする直交座標系において、x・x’>0となる範囲、及び、x・x’<0となる範囲を示している。x・x’>0となるのは座標系の第1象限及び第3象限であり、図2(a)(c)に示すように、浮上対象物が電磁石10の中心位置(振動の中心)から横ずれ方向に離れるときの状態である。また、x・x’<0となるのは第2象限及び第4象限であり、図2(b)(d)に示すように、横ずれした浮上対象物が電磁石10の中心位置(振動の中心)に戻るときの状態である。
In this specification, (dx / dt) is expressed as x ′.
The sign function sgn (n) of the bias current switching unit 47 outputs 1 when n> 0, 0 when n = 0, and −1 when n <0. Therefore, the bias current switching unit 47 outputs ΔI as the x-direction bias current when x · x ′> 0, and outputs −ΔI as the x-direction bias current when x · x ′ <0. When x · x ′ = 0, 0 is output.
FIG. 2 shows a range where x · x ′> 0 and a range where x · x ′ <0 in an orthogonal coordinate system having x and x ′ as axes. x · x ′> 0 is the first quadrant and the third quadrant of the coordinate system. As shown in FIGS. 2A and 2C, the levitated object is the center position of the electromagnet 10 (center of vibration). It is a state when it leaves | separates from a horizontal shift direction. Further, x · x ′ <0 is in the second quadrant and the fourth quadrant, and as shown in FIGS. 2B and 2D, the laterally levitated object is positioned at the center position of the electromagnet 10 (center of vibration). This is the state when returning to).

強磁性体11のz方向のバランスを保つために電磁石10に供給される電流をI0とすると、x・x’>0のときには、電磁石10に電流(I0+ΔI)が印加され、x・x’<0のときには、電磁石10に電流(I0−ΔI)が印加される。
電磁石10に印加される電流が増加すれば、電磁石10から発生する磁力が増強され、強磁性体11に対する横ずれ方向の復元力が強まり、浮上対象物の横ずれに対する剛性が高まる。
電磁石10に電流(I0+ΔI)が印加されたときの横ずれに対する剛性をk+Δkとすると、電磁石10に電流(I0−ΔI)が印加されたときの剛性はk−Δkに低下する。
Assuming that the current supplied to the electromagnet 10 in order to maintain the balance of the ferromagnetic material 11 in the z direction is I 0 , when x · x ′> 0, a current (I 0 + ΔI) is applied to the electromagnet 10, and x · When x ′ <0, a current (I 0 −ΔI) is applied to the electromagnet 10.
If the current applied to the electromagnet 10 is increased, the magnetic force generated from the electromagnet 10 is enhanced, the restoring force in the lateral displacement direction with respect to the ferromagnetic body 11 is increased, and the rigidity against the lateral displacement of the floating object is increased.
Assuming that k + Δk is the rigidity against the lateral displacement when the current (I 0 + ΔI) is applied to the electromagnet 10, the rigidity when the current (I 0 −ΔI) is applied to the electromagnet 10 is reduced to k−Δk.

図3は、横ずれ方向に振動するときの変位及び速度の軌跡をx−x’直交座標系上で示している。この軌跡は、横ずれに対する剛性が異なると変わってくる。図3(a)は、横ずれに対する剛性が高い場合の軌跡であり、速度(x’)方向に長い軌跡を描く。図3(b)は、剛性が低い場合の軌跡であり、変位(x)方向に長い軌跡を描く。
図3(c)は、図1の制御機構により、x・x’の正負に応じて横ずれに対する剛性を切り替えたときの軌跡を示している。この場合、第2、4象限では、剛性が低いときの軌跡を辿り、第1、3象限では、剛性が高いときの軌跡を辿って振動が減衰する。
このように、x・x’>0のときに横ずれに対する剛性を高め、x・x’<0のときにその剛性を低めた場合には、浮上対象物の横ずれ方向の振動が、急速に収束する。
FIG. 3 shows the displacement and velocity trajectories on the xx ′ orthogonal coordinate system when vibrating in the lateral displacement direction. This trajectory changes when the rigidity against the lateral displacement is different. FIG. 3A shows a trajectory when the rigidity against the lateral displacement is high, and a long trajectory is drawn in the speed (x ′) direction. FIG. 3B shows a locus when the rigidity is low, and a long locus is drawn in the displacement (x) direction.
FIG. 3C shows a locus when the control mechanism of FIG. 1 switches the rigidity against the lateral displacement according to the sign of x · x ′. In this case, in the second and fourth quadrants, the trajectory when the rigidity is low is traced, and in the first and third quadrants, the trajectory when the rigidity is high is traced and the vibration is attenuated.
Thus, when the rigidity against lateral deviation is increased when x · x ′> 0 and the rigidity is lowered when x · x ′ <0, the vibration in the lateral deviation direction of the floating object rapidly converges. To do.

この磁気浮上装置の特性を実験により確認した。
図4は、その実験装置の平面図を示している。この装置は、浮上対象物50の上下に配置された電磁石51、52と、浮上対象物50の横ずれ方向の変位を検出するレーザ変位計54と、浮上対象物50の変位方向を横ずれ方向のみに拘束する板バネ55と、浮上対象物50に横ずれ方向の外乱を与えるボイスコイルモータ53とを備えている。
この装置では、板バネ55を用いて、浮上対象物50の運動を横ずれ方向の並進1自由度に拘束しているため、電磁石51、52には、横ずれ方向の振動を抑制するバイアス電流だけを印加している。
The characteristics of the magnetic levitation device were confirmed by experiments.
FIG. 4 shows a plan view of the experimental apparatus. This device includes electromagnets 51 and 52 arranged above and below the floating object 50, a laser displacement meter 54 that detects displacement in the lateral displacement direction of the floating object 50, and the displacement direction of the floating object 50 is limited to the lateral displacement direction. A leaf spring 55 to be restrained and a voice coil motor 53 that applies a disturbance in the lateral displacement direction to the flying object 50 are provided.
In this device, since the movement of the floating object 50 is restricted to one degree of translation in the lateral displacement direction using the leaf spring 55, only the bias current that suppresses the vibration in the lateral displacement direction is supplied to the electromagnets 51 and 52. Applied.

図5は、ボイスコイルモータ53で発生させた外乱を示している。
図6(a)は、比較のため、電磁石51、52へのバイアス電流IをI=0に設定して浮上対象物50に外乱を与えたときの浮上対象物50の横ずれ方向の振動を示している。この振動の周波数は3.5Hzであり、振幅が初期の5%となるまでの整定時間を測定したところ、64.0秒であった。
また、図6(b)は、比較のため、バイアス電流IをI=1Aに設定して浮上対象物50に外乱を与えたときの浮上対象物50の横ずれ方向の振動を示している。この振動の周波数は4.3Hzであり、振幅が初期の5%となるまでの整定時間は59.5秒であった。
図6(a)(b)の振動数の比較から、電磁石51、52にバイアス電流を流すことで横ずれに対する剛性が44%増加したことが分かる。しかし、剛性を高めるだけでは、横ずれ方向の振動を短時間で収束させることはできない。
FIG. 5 shows the disturbance generated by the voice coil motor 53.
For comparison, FIG. 6A shows vibration in the lateral displacement direction of the flying object 50 when the bias current I to the electromagnets 51 and 52 is set to I = 0 and a disturbance is given to the flying object 50. ing. The frequency of this vibration was 3.5 Hz, and the settling time until the amplitude reached 5% of the initial value was measured and found to be 64.0 seconds.
For comparison, FIG. 6B shows vibration in the lateral displacement direction of the flying object 50 when the bias current I is set to I = 1A and a disturbance is given to the flying object 50. The frequency of this vibration was 4.3 Hz, and the settling time until the amplitude reached 5% of the initial value was 59.5 seconds.
From the comparison of the vibration frequencies shown in FIGS. 6A and 6B, it can be seen that the rigidity against the lateral displacement is increased by 44% by applying a bias current to the electromagnets 51 and 52. However, the vibration in the lateral displacement direction cannot be converged in a short time only by increasing the rigidity.

図7は、電磁石51、52へのバイアス電流Iを、x・x’の値が正のときは1A、x・x’の値が負のときは0Aに切り替えた場合の浮上対象物50の横ずれ方向の振動を示している。また、図8は、このとき、レーザ変位計54の測定値から求めたx・x’の変化(a)と、x・x’の正負に応じて切り替えた電磁石51、52へのバイアス電流(b)とを示している。
この振動の振幅が初期の5%となるまでの整定時間は2.5秒であった。これは、図6(a)に示す振動の整定時間の1/25である。
図9は、図8のx・x’算出の基礎となったx及びx’の軌跡をx−x’直交座標上に表している。図9から、電磁石51、52へのバイアス電流を切り替えて、横ずれに対する剛性を制御することにより、変位と速度が座標上で螺旋を描くように0に収束していることが分かる。
FIG. 7 shows that the bias current I applied to the electromagnets 51 and 52 is 1 A when the value of x · x ′ is positive, and 0 A when the value of x · x ′ is negative. The vibration in the lateral displacement direction is shown. FIG. 8 shows the bias current (x) to the electromagnets 51 and 52 switched according to the change (a) of x · x ′ obtained from the measured value of the laser displacement meter 54 and the sign of x · x ′. b).
The settling time until the vibration amplitude reached the initial 5% was 2.5 seconds. This is 1/25 of the vibration settling time shown in FIG.
FIG. 9 shows the trajectories of x and x ′, which are the basis of the calculation of xx ′ of FIG. 8, on the xx ′ orthogonal coordinates. From FIG. 9, it can be seen that the displacement and velocity converge to 0 so as to draw a spiral on the coordinates by switching the bias current to the electromagnets 51 and 52 and controlling the rigidity against the lateral displacement.

図10は、x・x’の値が正のときに電磁石51、52に印加するバイアス電流Iの大きさを変えて剛性制御を行ったときの横ずれ方向の振動を示している。
図10(a)は、I0=ΔI=0.25Aとした場合であり、整定時間は4.9秒であった。
図10(b)は、I0=ΔI=0.5Aとした場合であり、整定時間は2.4秒であった。
図10(c)は、I0=ΔI=0.75Aとした場合であり、整定時間は0.9秒であった。
図10(d)は、I0=ΔI=1.0Aとした場合であり、整定時間は1.0秒であった。
このように、バイアス電流を大きくすることで、ある程度まで整定時間を短縮できる。しかし、注目すべきは、I0=ΔI=1.0Aの場合、I0=ΔI=0.75Aのときより整定時間が長くなっている点である。
これは、I0=ΔI=1.0Aの場合、剛性の変化が大きく、そのため、変位が小さい状態で行き過ぎ量が大きくなり、それが振動の収束を遅らせていると考えられる。
この点は、x・x’の値が所定値より小さいとき、x・x’>0の状態で印加するバイアス電流を、x・x’の値に応じて減少させれば回避できる。
FIG. 10 shows the vibration in the lateral displacement direction when the stiffness control is performed by changing the magnitude of the bias current I applied to the electromagnets 51 and 52 when the value of x · x ′ is positive.
FIG. 10A shows the case where I 0 = ΔI = 0.25 A, and the settling time was 4.9 seconds.
FIG. 10B shows the case where I 0 = ΔI = 0.5 A, and the settling time was 2.4 seconds.
FIG. 10C shows the case where I 0 = ΔI = 0.75 A, and the settling time was 0.9 seconds.
FIG. 10D shows the case where I 0 = ΔI = 1.0 A, and the settling time was 1.0 second.
Thus, the settling time can be shortened to some extent by increasing the bias current. However, it should be noted that when I 0 = ΔI = 1.0 A, the settling time is longer than when I 0 = ΔI = 0.75 A.
This is considered that when I 0 = ΔI = 1.0 A, the change in rigidity is large, so that the amount of overshooting is large when the displacement is small, which delays the convergence of vibration.
This point can be avoided by reducing the bias current applied in the state of x · x ′> 0 in accordance with the value of x · x ′ when the value of x · x ′ is smaller than the predetermined value.

図11には、バイアス電流切替部47(図1)が符号関数sgnを用いて生成したバイアス電流(a)と、符号関数sgnに代えて、アークタンジェント(2/π)tan-1(αx・x’)関数を用いて生成したバイアス電流(b)とを示している。アークタンジェント関数を用いた場合、バイアス電流は、x・x’の小さい範囲において、x・x’の値に応じて減少している。これによって、x・x’の小さい範囲においてチャタリングが起きることを防止している。また、バイアス電流が連続的に変化する範囲は、パラメータαによって調整できる。αが小さい場合には、バイアス電流が連続的に変化する範囲が広く、αが大きい場合には、バイアス電流が連続的に変化する範囲を狭くすることができる。特にαが無限大の極限では、符号関数sgnと一致するようになる。
図12は、電磁石51、52に印加するバイアス電流Iを、α=80、I0=ΔI=1.0Aとして、アークタンジェント(2/π)tan-1(αx・x’)関数を用いて生成した場合の横ずれ方向の振動を示している。
この振動の整定時間は0.95秒であり、図10(d)に示す振動の整定時間より短縮している。
FIG. 11 shows a bias current (a) generated by the bias current switching unit 47 (FIG. 1) using the sign function sgn, and arctangent (2 / π) tan −1 (αx · x ′) shows the bias current (b) generated using the function. When the arc tangent function is used, the bias current decreases in accordance with the value of x · x ′ in a small range of x · x ′. Thus, chattering is prevented from occurring in a small range of x · x ′. The range in which the bias current continuously changes can be adjusted by the parameter α. When α is small, the range in which the bias current continuously changes is wide, and when α is large, the range in which the bias current continuously changes can be narrowed. In particular, in the limit where α is infinite, it coincides with the sign function sgn.
FIG. 12 shows that the bias current I applied to the electromagnets 51 and 52 is α = 80 and I 0 = ΔI = 1.0 A, and the arc tangent (2 / π) tan −1 (αx · x ′) function is used. The vibration in the lateral shift direction when generated is shown.
The vibration settling time is 0.95 seconds, which is shorter than the vibration settling time shown in FIG.

また、符号関数sgnに代える関数は、アークタンジェントに限定されるものではなく、つぎの条件を満たす関数fであれば、用いることができる。
(1)x・x’<−X0のとき f(x・x’)=−ΔI
(2)−X0<x・x’<0のとき −ΔIから0へ単調に増加する
(3)f(0)=0
(4)0<x・x’<X0のとき 0からΔIへ単調に増加する
(5)X0<x・x’のとき f(x・x’)=+ΔI
ここで、X0は、バイアス電流が連続的に変化する範囲を調整するパラメータである。
The function replaced with the sign function sgn is not limited to arctangent, and any function f that satisfies the following conditions can be used.
(1) When x · x ′ <− X 0 f (x · x ′) = − ΔI
(2) When −X 0 <x · x ′ <0, monotonically increases from −ΔI to 0 (3) f (0) = 0
(4) When 0 <x · x ′ <X 0 monotonously increases from 0 to ΔI (5) When X 0 <x · x ′ f (x · x ′) = + ΔI
Here, X 0 is a parameter for adjusting a range in which the bias current continuously changes.

次に、浮上対象物の横ずれ方向の変位量を検出する変位センサの変形例について説明する。
図1に示すように、浮上対象物11の横方向に配置された変位センサ20が邪魔になる場合がある。
図13には、電磁石の浮上対象物に対向する側にセンシングコイル201を配置して浮上対象物の横ずれ方向の振動を検出する構成を示している。
センシングコイル201は、コイルを通過する磁束が変化すると、誘導起電力が発生して誘導電流が流れる。浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位する場合は、コイルの通過磁束が減少し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位する場合は、コイルの通過磁束が増加する。そのため、x・x’>0の状態とx・x’<0の状態とで誘導起電力の向きが逆になり、誘導電流の方向からx・x’>0かx・x’<0かを識別することができる。
Next, a modification of the displacement sensor that detects the amount of displacement of the floating object in the lateral displacement direction will be described.
As shown in FIG. 1, the displacement sensor 20 arranged in the lateral direction of the flying object 11 may be in the way.
FIG. 13 shows a configuration in which the sensing coil 201 is arranged on the side of the electromagnet facing the floating object to detect vibration in the lateral displacement direction of the floating object.
In the sensing coil 201, when the magnetic flux passing through the coil changes, an induced electromotive force is generated and an induced current flows. When the levitating object is displaced in a direction away from the center of vibration, the magnetic flux passing through the coil is reduced. When the levitating object is displaced in a direction returning to the vibration center, the magnetic flux passing through the coil is increased. Therefore, the direction of the induced electromotive force is reversed between the state of x · x ′> 0 and the state of x · x ′ <0, and whether x · x ′> 0 or x · x ′ <0 from the direction of the induced current. Can be identified.

また、図14には、電磁石を力センサ202で支持し、力センサ202の検出信号から浮上対象物の横ずれ方向の振動を検出する構成を示している。
浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位する場合は、力センサ202の検出信号が減少傾向を示し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位する場合は、力センサ202の検出信号が増加傾向を示す。そのため、力センサ202の検出信号からx・x’>0の状態かx・x’<0の状態かを識別することができる。
このように、図13や図14の構成を採用することにより、磁気浮上装置の側方の変位センサを取り除くことができる。
FIG. 14 shows a configuration in which an electromagnet is supported by a force sensor 202 and vibrations in the lateral displacement direction of a floating object are detected from a detection signal of the force sensor 202.
When the floating object is displaced in a direction away from the center of vibration, the detection signal of the force sensor 202 shows a decreasing tendency, and when the floating object is displaced in a direction returning to the center of vibration, the detection signal of the force sensor 202 is detected. Shows an increasing trend. Therefore, it can be identified from the detection signal of the force sensor 202 whether x · x ′> 0 or x · x ′ <0.
In this way, by adopting the configuration of FIG. 13 or FIG. 14, the displacement sensor on the side of the magnetic levitation device can be removed.

(第2の実施形態)
図15は、本発明の第2の実施形態に係る反発型の磁気浮上装置を示している。
この装置は、横方向(z方向)に対向して配置された一対の永久磁石150、160と、永久磁石150を保持した状態でz方向に移動が可能な磁石保持部151と、永久磁石160を保持した状態でz方向に移動が可能な磁石保持部161と、永久磁石150に反発する永久磁石711、712と、永久磁石160に反発する永久磁石721、722と、内壁に永久磁石711、712及び永久磁石721、722が固定された浮上対象物170と、磁石保持部151及び磁石保持部161のz方向の移動位置を制御する制御機構80とを備えている。
永久磁石150は、磁石保持部151の軸512に固定された円筒状の1つの永久磁石として示しているが、軸512を中心に上下に対称に配置された複数の永久磁石で構成しても良い。永久磁石160も同様である。
永久磁石711、712は、浮上対象物170の円筒状の内壁に固定された円筒状の1つの永久磁石であっても良いし、浮上対象物170の内壁に、上下に対称に配置された複数の永久磁石であっても良い。永久磁石721、722も同様である。
いずれにしろ、浮上対象物170の永久磁石の711の部分と712の部分が永久磁石150に対して相反する方向に反発し、また、浮上対象物170の永久磁石の721の部分と722の部分が永久磁石160に対して相反する方向に反発し、それにより、浮上対象物170が永久磁石150、160に非接触支持されれば良い。
(Second Embodiment)
FIG. 15 shows a repulsive magnetic levitation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
This apparatus includes a pair of permanent magnets 150 and 160 disposed to face each other in the lateral direction (z direction), a magnet holding portion 151 that can move in the z direction while holding the permanent magnet 150, and the permanent magnet 160. Magnet holding part 161 that can move in the z direction while holding the magnet, permanent magnets 711 and 712 repelling the permanent magnet 150, permanent magnets 721 and 722 repelling the permanent magnet 160, and the permanent magnet 711 on the inner wall 712 and permanent magnets 721 and 722 are fixed, and a control mechanism 80 that controls the moving positions of the magnet holding part 151 and the magnet holding part 161 in the z direction is provided.
Although the permanent magnet 150 is shown as one cylindrical permanent magnet fixed to the shaft 512 of the magnet holding portion 151, the permanent magnet 150 may be composed of a plurality of permanent magnets arranged vertically symmetrically about the shaft 512. good. The same applies to the permanent magnet 160.
The permanent magnets 711 and 712 may be a single cylindrical permanent magnet fixed to the cylindrical inner wall of the levitating object 170, or may be a plurality of symmetrically arranged upper and lower on the inner wall of the levitating object 170. A permanent magnet may be used. The same applies to the permanent magnets 721 and 722.
In any case, the portions 711 and 712 of the permanent magnet of the floating object 170 repel each other in the direction opposite to the permanent magnet 150, and the portions 721 and 722 of the permanent magnet of the floating object 170 are repelled. Is repelled in a direction opposite to the permanent magnet 160, and the levitated object 170 may be supported by the permanent magnets 150 and 160 in a non-contact manner.

制御機構80は、浮上対象物170のz方向の変位を検出する変位センサ(不図示)から変位信号(z)が入力すると、PID制御によりz方向の変位を解消するための磁石保持部151及び磁石保持部152のz方向移動量を算出するPID制御部81と、浮上対象物170のx方向の振動に伴うx方向変位を検出する変位センサ(不図示)から変位信号(x)が入力すると、x・x’>0の場合にz方向移動量としてΔzを出力し、x・x’<0の場合にz方向移動量として−Δzを出力する振動抑制移動量切替部87と、振動抑制移動量切替部87から出力されたz方向移動量の符号を反転する反転部82と、PID制御部81及び振動抑制移動量切替部87から出力されたz方向移動量を加算する加算部83と、PID制御部81及び反転部82から出力されたz方向移動量を加算する加算部84と、加算部83から出力されたz方向移動量だけ磁石保持部151をz方向に移動する駆動部85と、加算部84から出力されたz方向移動量だけ磁石保持部161をz方向に移動する駆動部86と、を備えている。  When a displacement signal (z) is input from a displacement sensor (not shown) that detects the displacement of the flying object 170 in the z direction, the control mechanism 80 includes a magnet holding unit 151 for canceling the displacement in the z direction by PID control, and When a displacement signal (x) is input from a PID control unit 81 that calculates the amount of movement of the magnet holding unit 152 in the z direction and a displacement sensor (not shown) that detects displacement in the x direction accompanying the vibration of the floating object 170 in the x direction. The vibration suppression movement amount switching unit 87 outputs Δz as the z direction movement amount when x · x ′> 0, and outputs −Δz as the z direction movement amount when x · x ′ <0, and vibration suppression An inversion unit 82 that inverts the sign of the z-direction movement amount output from the movement amount switching unit 87, and an addition unit 83 that adds the z-direction movement amounts output from the PID control unit 81 and the vibration suppression movement amount switching unit 87; , PID control unit 81 and From the addition unit 84 that adds the z-direction movement amount output from the reversing unit 82, the drive unit 85 that moves the magnet holding unit 151 in the z direction by the z-direction movement amount output from the addition unit 83, and the addition unit 84 And a drive unit 86 that moves the magnet holding unit 161 in the z direction by the output z-direction movement amount.

この装置では、浮上対象物170がz方向に変位すると、その変位を打ち消すように、磁石保持部151及び永久磁石150と、磁石保持部152及び永久磁石160とがz方向を同じ向きに同一距離だけ移動する。浮上対象物170は、このフィードバック制御により、z方向には安定的に非接触支持される。
しかし、一対の永久磁石150、160の配列方向に直交するx方向には、能動的な制御が働かないため、x方向の振動(横ずれ方向の振動)は減衰し難い。
In this apparatus, when the floating object 170 is displaced in the z direction, the magnet holding part 151 and the permanent magnet 150, and the magnet holding part 152 and the permanent magnet 160 are the same distance in the same direction in the z direction so as to cancel the displacement. Just move. The flying object 170 is stably supported in a non-contact manner in the z direction by this feedback control.
However, since active control does not work in the x direction perpendicular to the arrangement direction of the pair of permanent magnets 150 and 160, vibration in the x direction (vibration in the lateral displacement direction) is difficult to attenuate.

この横ずれ方向の振動を減衰するため、x・x’の正負に応じたz方向移動量が振動抑制移動量切替部87及び反転部82から出力される。振動抑制移動量切替部87及び反転部82から出力されるz方向移動量は、磁石保持部151と磁石保持部152との対称的な移動を規定するものであるから、一対の永久磁石150、160は、z方向を反対向きに同一距離だけ移動する。この永久磁石150、160の対称的な動きは、浮上対象物170のz方向のバランスを乱さない。  In order to attenuate the vibration in the lateral displacement direction, a z-direction movement amount corresponding to the sign of x · x ′ is output from the vibration suppression movement amount switching unit 87 and the reversing unit 82. Since the z-direction movement amount output from the vibration suppression movement amount switching unit 87 and the reversing unit 82 defines a symmetrical movement between the magnet holding unit 151 and the magnet holding unit 152, a pair of permanent magnets 150, 160 moves the same distance in the opposite direction in the z direction. The symmetrical movement of the permanent magnets 150 and 160 does not disturb the balance of the floating object 170 in the z direction.

図16(a)は、x・x’>0の場合の永久磁石150、160と浮上対象物170との位置関係を示し、図16(b)は、x・x’<0の場合の永久磁石150、160と浮上対象物170との位置関係を示している。
図16(a)の状態では、永久磁石150、160と、浮上対象物170の永久磁石とが正対しており、それらの間に強い反発力が働いている。そのため、x方向の変位(横ずれ)に対する剛性が高い。一方、図16(b)の状態では、永久磁石150、160と、浮上対象物170の永久磁石とが正対しておらず、それらの間の反発力は弱い。そのため、横ずれに対する剛性が低い。
このように、x・x’>0の状態のとき、剛性を強く設定し、x・x’<0の状態のとき、剛性を弱く設定することにより、第1の実施形態と同様に、横ずれ方向の振動は、急速に収束する。
FIG. 16A shows the positional relationship between the permanent magnets 150 and 160 and the floating object 170 when x · x ′> 0, and FIG. 16B shows the permanent relationship when x · x ′ <0. The positional relationship between the magnets 150 and 160 and the floating object 170 is shown.
In the state of FIG. 16A, the permanent magnets 150 and 160 and the permanent magnet of the levitated object 170 are facing each other, and a strong repulsive force is acting between them. Therefore, the rigidity against displacement (lateral deviation) in the x direction is high. On the other hand, in the state of FIG. 16B, the permanent magnets 150 and 160 and the permanent magnet of the levitated object 170 are not facing each other, and the repulsive force between them is weak. For this reason, the rigidity against lateral displacement is low.
In this way, when x · x ′> 0, the rigidity is set to be strong, and when x · x ′ <0, the rigidity is set to be weak, as in the first embodiment. Directional vibrations converge rapidly.

本発明の磁気浮上装置は、浮上対象物の安定的な非接触支持が可能であって、小型に、且つ、低コストで構成できる、と言う利点を有しており、ターボ分子ポンプやクリーンルームでの搬送装置、ジャイロセンサなど、吸引型や反発型の磁気浮上系を備える装置に広く利用することができる。  The magnetic levitation apparatus of the present invention has an advantage that it can stably support non-contact of an object to be levitated, and can be configured in a small size and at a low cost. The present invention can be widely used for apparatuses having a suction type or repulsive type magnetic levitation system, such as a transfer device or a gyro sensor.

10 電磁石
11 強磁性体
12 電磁石
20 変位センサ
40 制御機構
41 PID制御部
42 反転部
43 加算部
44 加算部
45 増幅器
46 増幅器
47 バイアス電流切替部
50 浮上対象物
51 電磁石
52 電磁石
53 ボイスコイルモータ
54 レーザ変位計
55 板バネ
80 制御機構
81 PID制御部
82 反転部
83 加算部
84 加算部
85 駆動部
86 駆動部
87 振動抑制移動量切替部
150 永久磁石
151 磁石保持部
160 永久磁石
161 磁石保持部
170 浮上対象物
201 センシングコイル
202 力センサ
711 永久磁石
712 永久磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electromagnet 11 Ferromagnetic material 12 Electromagnet 20 Displacement sensor 40 Control mechanism 41 PID control part 42 Inversion part 43 Adder part 44 Adder part 45 Amplifier 46 Amplifier 47 Bias current switching part 50 Levitation target 51 Electromagnet 52 Electromagnet 53 Voice coil motor 54 Laser Displacement meter 55 Leaf spring 80 Control mechanism 81 PID control unit 82 Inversion unit 83 Addition unit 84 Addition unit 85 Drive unit 86 Drive unit 87 Vibration suppression movement amount switching unit 150 Permanent magnet 151 Magnet holding unit 160 Permanent magnet 161 Magnet holding unit 170 Levitation Object 201 Sensing coil 202 Force sensor 711 Permanent magnet 712 Permanent magnet

Claims (11)

磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置であって、
浮上対象物の非接触支持のための磁力を発生する一対の磁石と、
前記一対の磁石の配列方向と直交する横ずれ方向への前記浮上対象物の変位を検出する変位検出手段と、
前記浮上対象物の前記横ずれ方向の振動を抑制する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記振動の中心から離れる方向に変位する前記浮上対象物に対し、前記振動の中心に戻る方向に変位するときよりも強い磁力が作用するように前記一対の磁石を制御する、
ことを特徴とする磁気浮上装置。
A magnetic levitation device for supporting a levitated object in a non-contact manner using magnetic force,
A pair of magnets that generate magnetic force for non-contact support of the floating object;
A displacement detection means for detecting displacement of the floating object in a lateral displacement direction perpendicular to the arrangement direction of the pair of magnets;
Control means for suppressing vibration in the lateral displacement direction of the floating object;
With
The control means controls the pair of magnets so that a stronger magnetic force acts on the levitating object displaced in a direction away from the center of vibration than when displaced in a direction returning to the center of vibration.
A magnetic levitation device.
請求項1に記載の磁気浮上装置であって、前記一対の磁石が上下方向に配列された電磁石であり、前記浮上対象物が前記電磁石の各々に吸引されて前記一対の電磁石の間に非接触支持される強磁性体を含み、前記制御手段は、前記浮上対象物が前記振動の中心から離れる方向に変位するとき、前記一対の電磁石に印加する電流を強め、前記浮上対象物が前記振動の中心に戻る方向に変位するとき、前記一対の電磁石に印加する電流を弱める、ことを特徴とする磁気浮上装置。  2. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, wherein the pair of magnets is an electromagnet arranged in a vertical direction, and the floating object is attracted to each of the electromagnets and is not in contact with the pair of electromagnets. The control means includes a ferromagnetic body supported, and the control means increases the current applied to the pair of electromagnets when the floating object is displaced in a direction away from the center of the vibration, and the floating object is A magnetic levitation apparatus characterized by weakening a current applied to the pair of electromagnets when displaced in a direction returning to the center. 請求項2に記載の磁気浮上装置であって、前記横ずれ方向に振動する前記浮上対象物の変位をx、前記浮上対象物の移動速度をx’とするとき、前記制御手段は、前記一対の電磁石に印加するバイアス電流を、x・x’≧0の状態と、x・x’<0の状態とで切り替え、x・x’≧0のときの前記バイアス電流が、x・x’<0のときの前記バイアス電流より大きくなるように設定する、ことを特徴とする磁気浮上装置。  3. The magnetic levitation apparatus according to claim 2, wherein when the displacement of the levitating object vibrating in the lateral displacement direction is x and the moving speed of the levitating object is x ′, the control means The bias current applied to the electromagnet is switched between a state of x · x ′ ≧ 0 and a state of x · x ′ <0, and the bias current when x · x ′ ≧ 0 is x · x ′ <0. The magnetic levitation apparatus is set so as to be larger than the bias current at the time. 請求項3に記載の磁気浮上装置であって、前記制御手段は、x・x’の値が所定値より小さいとき、前記一対の電磁石に印加する前記バイアス電流をx・x’の値に応じて減少させる、ことを特徴とする磁気浮上装置。  4. The magnetic levitation apparatus according to claim 3, wherein when the value of x · x ′ is smaller than a predetermined value, the control unit determines the bias current applied to the pair of electromagnets according to the value of x · x ′. A magnetic levitation device characterized in that 請求項1から4のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記浮上対象物の横ずれ方向に配置された、前記浮上対象物までの距離を測定する測定手段である、ことを特徴とする磁気浮上装置。  5. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, wherein the displacement detection unit is a measurement unit that is disposed in a lateral displacement direction of the levitation object and measures a distance to the levitation object. A magnetic levitation device characterized by that. 請求項2から4のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記電磁石の前記浮上対象物に対向する側に配置された、通過磁束の変化を検出するセンシングコイルである、ことを特徴とする磁気浮上装置。  5. The magnetic levitation device according to claim 2, wherein the displacement detection unit is a sensing coil that is disposed on a side of the electromagnet facing the levitation object and detects a change in passing magnetic flux. There is a magnetic levitation device. 請求項2から4のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記電磁石を支持し、該電磁石に作用する力を検出する力センサである、ことを特徴とする磁気浮上装置。  5. The magnetic levitation apparatus according to claim 2, wherein the displacement detection means is a force sensor that supports the electromagnet and detects a force acting on the electromagnet. Levitation device. 請求項1に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物が、前記一対の磁石に対して相反する方向に反発する磁石を含み、前記一対の磁石と前記浮上対象物の磁石との反発力により前記浮上対象物が非接触支持され、前記制御手段は、前記浮上対象物が前記振動の中心から離れる方向に変位するとき、前記反発力が強まる位置に前記一対の磁石を移動し、前記浮上対象物が前記振動の中心に戻る方向に変位するとき、前記反発力が弱まる位置に前記一対の磁石を移動する、ことを特徴とする磁気浮上装置。  2. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, wherein the levitated object includes a magnet repelling in a direction opposite to the pair of magnets, and the repulsion between the pair of magnets and the magnet of the levitated object. The floating object is supported in a non-contact manner by force, and the control means moves the pair of magnets to a position where the repulsive force is increased when the floating object is displaced in a direction away from the center of vibration. The magnetic levitation apparatus, wherein the pair of magnets are moved to a position where the repulsive force is weakened when the levitating object is displaced in a direction returning to the center of the vibration. 磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置の制御方法であって、
上下方向に配列する一対の電磁石の間に、強磁性体を含む浮上対象物を非接触支持し、
前記一対の電磁石に対して、前記電磁石の配列方向への前記浮上対象物の変位を抑える電流iと、前記配列方向と直交する横ずれ方向への前記浮上対象物の振動を抑制するバイアス電流Δiとを重畳して印加し、
前記横ずれ方向に振動する前記浮上対象物の変位をx、前記浮上対象物の移動速度をx’とするとき、前記一対の電磁石に印加する前記バイアス電流Δiを、x・x’≧0の状態と、x・x’<0の状態とで切り替え、x・x’≧0のときの前記バイアス電流を、x・x’<0のときの前記バイアス電流より大きくする、
ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。
A control method for a magnetic levitation device that uses a magnetic force to support a levitated object in a non-contact manner,
Between the pair of electromagnets arranged in the vertical direction, support the floating object including the ferromagnetic material in a non-contact manner,
With respect to the pair of electromagnets, a current i that suppresses displacement of the floating object in the arrangement direction of the electromagnets, and a bias current Δi that suppresses vibration of the floating object in a lateral displacement direction orthogonal to the arrangement direction. Are superimposed and applied.
When the displacement of the floating object vibrating in the lateral displacement direction is x and the moving speed of the floating object is x ′, the bias current Δi applied to the pair of electromagnets is in a state of x · x ′ ≧ 0 And x · x ′ <0, and the bias current when x · x ′ ≧ 0 is larger than the bias current when x · x ′ <0.
A control method for a magnetic levitation apparatus.
請求項9に記載の磁気浮上装置の制御方法であって、x・x’の値が所定値より小さいとき、前記バイアス電流Δiを、x・x’の値に応じて減少させる、ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。  10. The method of controlling a magnetic levitation apparatus according to claim 9, wherein when the value of x · x ′ is smaller than a predetermined value, the bias current Δi is decreased according to the value of x · x ′. A control method of the magnetic levitation apparatus. 請求項10に記載の磁気浮上装置の制御方法であって、前記バイアス電流Δiを、次の条件1〜条件5を満たす関数f(x・x’)に従って変化させる、ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。
前記バイアス電流Δiが連続的に変化する範囲を調整するパラメータをX0として、
条件1:x・x’<−X0のとき f(x・x’)=−ΔI
条件2:−X0<x・x’<0のとき −ΔIから0へ単調に増加する
条件3:f(0)=0、
条件4:0<x・x’<X0のとき 0からΔIへ単調に増加する
条件5:X0<x・x’のとき f(x・x’)=+ΔI
The method of controlling a magnetic levitation apparatus according to claim 10, wherein the bias current Δi is changed according to a function f (x · x ′) that satisfies the following conditions 1 to 5: Device control method.
A parameter for adjusting the range in which the bias current Δi continuously changes is X 0 ,
Condition 1: When x · x ′ <− X 0 f (x · x ′) = − ΔI
Condition 2: When −X 0 <x · x ′ <0, monotonically increases from −ΔI to 0 Condition 3: f (0) = 0,
Condition 4: When 0 <x · x ′ <X 0 , monotonically increases from 0 to ΔI Condition 5: When X 0 <x · x ′ f (x · x ′) = + ΔI
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